基于動(dòng)液面與套壓的抽油控制系統(tǒng)

張乃祿，李偉強(qiáng)，劉 峰，黃 偉，王 偉，皇甫王歡

(1.西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.陜西省油氣井測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；3.長(zhǎng)慶油田分公司 技術(shù)監(jiān)測(cè)中心，陜西 西安 710018； 4.西安海聯(lián)石化科技有限公司，陜西 西安 710065)

引 言

油井動(dòng)液面深度確定井底流壓和抽油泵的沉沒度，其變化對(duì)油井產(chǎn)液量和抽油效率造成影響。隨著動(dòng)液面加深，抽油泵上段的液柱壓力降低，從而導(dǎo)致有更多的氣體進(jìn)入抽油泵中，降低了抽油泵的泵效，抽油機(jī)仍以原有的沖次運(yùn)行會(huì)使油井處于低產(chǎn)量的工作狀態(tài)[1-2]。此外，油井內(nèi)部形成的高套壓會(huì)加深動(dòng)液面的變化，同樣降低了抽油泵的效率，使抽油機(jī)處于低產(chǎn)高耗的工作狀態(tài)。目前，國(guó)內(nèi)有報(bào)道通過示功圖間接計(jì)算油井動(dòng)液面變化，再控制抽油機(jī)變頻器實(shí)現(xiàn)抽油沖次調(diào)節(jié)[3-4]，另外，采油過程中油井環(huán)空套壓對(duì)動(dòng)液面和產(chǎn)液量的影響與控制的研究報(bào)道較少[5]。針對(duì)實(shí)際采油生產(chǎn)過程中，油井動(dòng)液面和環(huán)空套壓的變化影響，提出油井動(dòng)液面與套壓雙回路控制，設(shè)計(jì)了一套基于動(dòng)液面與套壓的抽油控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用動(dòng)液面和套壓檢測(cè)儀實(shí)時(shí)測(cè)量油井動(dòng)液面與套壓，動(dòng)液面控制采用模糊控制策略，環(huán)空套壓采用位控制。該控制系統(tǒng)能夠解決抽油機(jī)運(yùn)行時(shí)因地層供液能力變化導(dǎo)致動(dòng)液面不穩(wěn)定和套壓持續(xù)升高繼而造成抽油泵效低下的問題，確保抽油機(jī)處于最優(yōu)的抽油狀態(tài)。

1 基于動(dòng)液面與套壓的抽油控制原理

1.1 動(dòng)液面與套壓雙回路抽油控制機(jī)理分析

在油田開采前期，油田地質(zhì)研究人員根據(jù)地層滲透能力和油井的狀況等因素確定合理的沉沒度，只要控制油井動(dòng)液面確保沉沒度維持在合理的狀態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)采油達(dá)到最佳產(chǎn)液量。 油井產(chǎn)液量計(jì)算式為

QL=KL(Hs-Hf)。

(1)

式中：QL為油井產(chǎn)液量，m3/d；Hs為靜液面高度，m；Hf為動(dòng)液面的高度，m；KL為產(chǎn)液指數(shù)。

由式(1)可以看出，動(dòng)液面下降會(huì)減少油井的產(chǎn)液量。動(dòng)液面控制是通過控制抽油機(jī)變頻器來間接調(diào)節(jié)抽油機(jī)的沖次[6]。變頻器頻率F與抽油機(jī)沖次N的關(guān)系為

(2)

式中：P為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；Ir為抽油機(jī)減速箱的總傳動(dòng)比；D1為電機(jī)皮帶輪直徑；D2為減速箱大皮帶輪直徑；F為變頻器頻率，Hz；N為抽油機(jī)的沖次，mi-1。在出現(xiàn)動(dòng)液面下降時(shí)，降低變頻器頻率減小抽油機(jī)沖次即可穩(wěn)定動(dòng)液面，動(dòng)液面保持抽油泵合理沉沒度，使抽油機(jī)處于理想的抽油狀態(tài)。

另一方面，在油井生產(chǎn)時(shí)套管排氣閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，井內(nèi)氣體在環(huán)形空間聚集形成高套壓，套壓越高動(dòng)液面變化越大，改變抽油泵合理沉沒度，間接影響了產(chǎn)液量。套壓關(guān)系式

pc=pwf-pog-pogw，

(3)

式中：pc為套壓，MPa；pwf為井底流壓，MPa；pog為泵吸入口至動(dòng)液面壓力，MPa，pog=ρgh；pogw為泵吸入口至油層中部的液柱壓力，MPa。通常情況下，pogw不隨套壓值變化，考慮pwf不變，從式(3)中可知，套壓增高會(huì)導(dǎo)致動(dòng)液面的下降。因此，在套壓升高時(shí)，及時(shí)對(duì)套氣進(jìn)行排放，控制套壓，能夠有助于穩(wěn)定動(dòng)液面，消除高套壓對(duì)抽油泵的影響[7]，可使抽油機(jī)處于最佳抽油狀態(tài)。

綜上所述，通過油井動(dòng)液面與套壓雙回路控制，可使抽油機(jī)處于最佳抽油狀態(tài)，其雙回路抽油控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 雙回路抽油控制系統(tǒng)原理Fig.1 Principle diagram of double loop control system for oil pumping unit

1.2 基于動(dòng)液面和套壓的抽油控制策略

1.2.1 動(dòng)液面控制 動(dòng)液面與地層供液、抽油泵掛、抽油機(jī)工作狀態(tài)等因素有關(guān)，其控制是一個(gè)典型的非線性系統(tǒng)，無法通過建立數(shù)學(xué)模型采用PID控制，因此提出采用模糊控制策略實(shí)現(xiàn)動(dòng)液面的控制。模糊控制的2個(gè)輸入量分別為動(dòng)液面的偏差e與動(dòng)液面的偏差的變化率eh，模糊控制的輸出為抽油機(jī)變頻器的頻率F。3個(gè)量的隸屬函數(shù)均選為三角形隸屬函數(shù)，動(dòng)液面偏差e的基本論域?yàn)閧-50,100}，模糊子集為{-2,4}，量化因子Ge為0.04，7個(gè)語言變量值為：NB、NS、ZO、PS、PM、PB、PVB；動(dòng)液面偏差的變化率eh的基本論域?yàn)閧-10,10}，模糊子集為{-2,2}，量化因子Geh為0.2，5個(gè)語言變量值為：NB、NS、ZO、PS、PB；頻率F的輸出論域?yàn)閧0,65}，5個(gè)語言變化值為：slow3、slow2、slow1、no change、fast。依據(jù)抽油機(jī)抽油過程動(dòng)液面變化的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)建立35條模糊規(guī)則，見表1。首先根據(jù)量化因子對(duì)輸入的動(dòng)液面偏差和偏差變化率進(jìn)行模糊化處理，其次模糊化之后的輸入量根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，模糊推理結(jié)果為模糊量，采用重心法進(jìn)行反模糊化即可得到變頻器頻率F的輸出值。通過調(diào)節(jié)變頻器頻率F調(diào)整抽油機(jī)的沖次，以達(dá)到其最佳值。

表1 動(dòng)液面控制模糊規(guī)則Tab.1 Fuzzy rule Table for control of moving liquid level

1.2.2 套壓控制 通過多元線性回歸分析法，選擇最佳油井套壓值。套壓控制采用位控制，即將實(shí)測(cè)套壓值與設(shè)定套壓值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)套壓值高于設(shè)定套壓上限值時(shí)打開電磁閥排放套氣，低于設(shè)定下限值時(shí)關(guān)閉電磁閥，從而控制套壓穩(wěn)定在合適的范圍[8]，使抽油機(jī)運(yùn)行在最佳的抽油狀態(tài)。

2 動(dòng)液面與套壓的抽油控制系統(tǒng)構(gòu)成

動(dòng)液面與套壓的抽油控制系統(tǒng)由檢測(cè)、控制、執(zhí)行單元構(gòu)成，如圖2所示。

(1)檢測(cè)單元為油井動(dòng)液面監(jiān)測(cè)儀和套壓測(cè)量傳感器。該監(jiān)測(cè)儀能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量油井動(dòng)液面和套壓，通過RS485接口將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送至智能控制器。

(2)控制單元為雙回路智能控制器。智能控制器以STM32為主控芯片，帶有兩路RS485接口和控制輸出端口[9]。

(3)執(zhí)行單元為變頻器和電磁調(diào)節(jié)閥。變頻器依據(jù)智能控制器頻率控制指令，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油機(jī)的沖次控制；調(diào)節(jié)電磁閥依據(jù)智能控制器控制指令，調(diào)節(jié)井口排放氣裝置。

圖2 動(dòng)液面與套壓的抽油控制系統(tǒng)構(gòu)成Fig.2 Composition of oil pumping unit control system based on dynamic liquid level and casing pressure

3 動(dòng)液面與套壓的抽油控制軟件設(shè)計(jì)

3.1 動(dòng)液面與套壓抽油控制軟件的組成

抽油控制系統(tǒng)軟件在keilC51上進(jìn)行編程，主要包括顯示設(shè)定、數(shù)據(jù)通訊、動(dòng)液面控制和套壓控制等程序。其中數(shù)據(jù)通信程序?qū)崿F(xiàn)智能控制器接收動(dòng)液面和套壓數(shù)據(jù)的功能，并對(duì)接收到的十六位數(shù)據(jù)進(jìn)行十進(jìn)制轉(zhuǎn)換；顯示設(shè)定程序完成動(dòng)液面及套壓顯示，并進(jìn)行動(dòng)液面與套壓設(shè)定值的設(shè)定。動(dòng)液面與套壓抽油控制軟件組成如圖3所示。

圖3 動(dòng)液面與套壓抽油控制軟件的組成Fig.3 Composition of oil pumping unit control software based on dynamic liquid level and casing pressure

3.2 動(dòng)液面模糊控制程序設(shè)計(jì)

動(dòng)液面模糊控制程序采用離線查表方式。首先利用MATLAB的模糊控制工具箱進(jìn)行模糊計(jì)算，用系統(tǒng)測(cè)試工具進(jìn)行動(dòng)液面變化測(cè)試，具體測(cè)試范圍根據(jù)油井動(dòng)液面變化范圍設(shè)定，并選定好合適的步長(zhǎng)；待測(cè)試完成后，將測(cè)試結(jié)果生成輸出結(jié)果表。在控制程序設(shè)計(jì)中，將MATLAB測(cè)試結(jié)果的模糊控制表以二維數(shù)組的形式寫入到程序中。程序開始時(shí)，智能控制器首先測(cè)量當(dāng)前的動(dòng)液面，再計(jì)算測(cè)量動(dòng)液面與給定動(dòng)液面的差值e及差值變化率eh，之后將偏差e及變化率eh進(jìn)行模糊化，并對(duì)二者模糊化結(jié)果查詢模糊控制表得到對(duì)應(yīng)的輸出頻率。最后將輸出頻率信號(hào)輸出變頻器。動(dòng)液面模糊控制程序如圖4所示。

圖4 動(dòng)液面模糊控制程序流程Fig.4 Progress diagram of moving liquid level fuzzy control

3.3 套壓位控制程序設(shè)計(jì)

套壓位控制算法依據(jù)實(shí)測(cè)套壓值和設(shè)定套壓值進(jìn)行計(jì)算與控制。當(dāng)實(shí)測(cè)套壓值超過設(shè)定套壓上限，智能控制器發(fā)出指令打開電磁閥進(jìn)行套氣的排放，實(shí)測(cè)套壓值低于套壓設(shè)定下限時(shí)關(guān)閉電磁閥。套壓位控制程序如圖5所示。

圖5 套壓控制程序流程Fig.5 Progress diagram of casing pressure control

4 控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行抽油系統(tǒng)動(dòng)液面與套壓模擬控制驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，動(dòng)液面設(shè)置目標(biāo)深度為1 400 m，套壓控制目標(biāo)為0.5 MPa。動(dòng)液面監(jiān)測(cè)儀連續(xù)輸出6組動(dòng)液面調(diào)節(jié)值，同時(shí)利用電動(dòng)氣泵對(duì)PVC連接管柱內(nèi)進(jìn)行增壓，抽油控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制，實(shí)驗(yàn)顯示當(dāng)動(dòng)液面調(diào)節(jié)值出現(xiàn)變化時(shí)，智能控制器依據(jù)動(dòng)液面實(shí)時(shí)變化調(diào)節(jié)變頻器頻率，改變抽油機(jī)沖次，依據(jù)PVC管柱套壓上限0.52 MPa、下限0.48 MPa控制電磁閥，進(jìn)行氣體壓力調(diào)節(jié)，套壓始終被控制在0.5 MPa左右。實(shí)驗(yàn)過程動(dòng)液面與變頻器調(diào)節(jié)頻率及套壓控制結(jié)果見表2。

表2 套壓、動(dòng)液面與變頻器頻率調(diào)節(jié)值Tab.2 Casing pressure,moving liquid level and frequency converter adjustment value

注：動(dòng)液面目標(biāo)值1 400 m；套壓目標(biāo)值0.5 MPa。

該抽油控制系統(tǒng)在長(zhǎng)慶油田某采油廠油井生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，生產(chǎn)油井套壓0.68 MPa，動(dòng)液面深度1 315 m，該井處于套壓過高、液面供液不足的狀態(tài)。該抽油控制系統(tǒng)投入運(yùn)行，動(dòng)液面與套壓控制目標(biāo)分別為1 200 m和0.2 MPa，系統(tǒng)運(yùn)行48 h后，油井動(dòng)液面深度為1 214 m，套壓0.204 MPa，該油井原油產(chǎn)液提高9%，抽油機(jī)的電耗降低13%。

5 結(jié)束語

(1)油井動(dòng)液面和套壓對(duì)抽油效率與能耗有重要影響，設(shè)計(jì)了基于油井動(dòng)液面與套壓的雙回路抽油控制系統(tǒng)。

(2)抽油控制系統(tǒng)動(dòng)液面與套壓采用模糊控制和位控制策略，STM32智能控制器調(diào)節(jié)抽油機(jī)變頻器和井口電磁閥，實(shí)現(xiàn)最佳抽油沖次與最優(yōu)抽油狀態(tài)控制，提高了抽油生產(chǎn)效率，降低了能耗，在油田開發(fā)與生產(chǎn)中有典型應(yīng)用價(jià)值。

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